(57)【要約】【課題】水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素ガソリンとに分離する機能を有する水素利用内燃機関に関し、低負荷域から高負荷域までの広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現できるようにする。【解決手段】内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、水素化ガソリンを燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行い、内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、水素リッチガスと脱水素ガソリンとを燃料として希薄燃焼による運転を行うようにする。【選択図】図１
2007198274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化ガソリンを貯留するタンクと、
水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素ガソリンとに分離する燃料分離手段と、
水素化ガソリン、水素リッチガス及び脱水素ガソリンの何れかを選択的に或いは複数を組み合わせて内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、水素化ガソリンを燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、水素リッチガスと脱水素ガソリンとを燃料として希薄燃焼による運転を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする水素利用内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記内燃機関がＨＣＣＩ燃焼による運転領域のうち高負荷側の運転領域で運転されるときには、燃料である水素化ガソリンに水素リッチガスを添加するとともに燃焼室内に配置された着火装置を作動させることを特徴とする請求項１記載の水素利用内燃機関。
【請求項３】
前記制御手段は、前記内燃機関が希薄燃焼による運転が可能な運転領域よりもさらに高負荷域で運転されるときには、脱水素ガソリンを燃料としてストイキ燃焼による運転を行うことを特徴とする請求項２記載の水素利用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素利用内燃機関、特に、水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素ガソリンとに分離する機能を有する水素利用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、水素を燃料として使用する水素利用内燃機関が知られている。ガソリンに水素を添加して使用することで内燃機関のリーンバーン領域を拡大することができ、燃費の向上やＮＯｘ発生量の低減といった顕著な効果を得られるようになる。
【０００３】
上記文献に開示される水素利用内燃機関は、触媒を用いて水素化ガソリンを脱水素反応させることにより、内燃機関の作動に供する水素をシステム内で生成している。この脱水素反応は吸熱反応であるため、反応を促進して水素を効率的に得るためには触媒をある一定の温度まで加熱する必要がある。上記文献に開示される水素利用内燃機関では、排気通路に触媒を配置し、排熱を利用して触媒を加熱するようにしている。システム内で自ら水素を生成することで、高圧の水素ボンベ等を必要とすることなく水素を燃料として使用することが可能になる。また、脱水素後のガソリン（脱水素ガソリン）は、水素とともに水素利用内燃機関の燃料として使用することができる。
【特許文献１】特開２００５−１４７１２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１１６３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水素の生成に排熱を利用するシステムでは、水素の生成効率は水素利用内燃機関の運転状態に左右される。特に、水素利用内燃機関が低負荷域で運転されているときには、排気温度が低いために触媒を十分に加熱することができず、水素の生成効率が大きく低下する可能性がある。高圧の水素ボンベや大容量のバッファタンクを備えないシステムにおいて水素添加によるリーンバーン運転（水素添加リーンバーン運転）を継続して行うには、必要量の水素が継続的に生成されることが条件となる。このため、低負荷域のように水素の生成効率が低い状況では、水素不足によって水素添加リーンバーン運転を継続することができず、他の運転方法に切り替えざるを得ない。しかし、水素添加リーンバーン運転は効率が高く、且つ、ＮＯｘ発生量も少ない運転方法であるため、これに代わる運転方法としては、水素添加リーンバーン運転と同等かそれ以上に高効率且つ低エミッションを実現可能な運転方法であることが望まれる。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素ガソリンとに分離する機能を有する水素利用内燃機関に関し、低負荷域から高負荷域までの広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、水素利用内燃機関であって、
水素化ガソリンを貯留するタンクと、
水素化ガソリンを水素リッチガスと脱水素ガソリンとに分離する燃料分離手段と、
水素化ガソリン、水素リッチガス及び脱水素ガソリンの何れかを選択的に或いは複数を組み合わせて内燃機関に供給するための燃料供給手段と、
前記内燃機関が所定の運転領域で運転されているときには、水素化ガソリンを燃料としてＨＣＣＩ燃焼による運転を行い、前記内燃機関が前記所定運転領域よりも高負荷域で運転されるときには、水素リッチガスと脱水素ガソリンとを燃料として希薄燃焼による運転を行う制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、前記内燃機関がＨＣＣＩ燃焼による運転領域のうち高負荷側の運転領域で運転されるときには、燃料である水素化ガソリンに水素リッチガスを添加するとともに燃焼室内に配置された着火装置を作動させることを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、
前記制御手段は、前記内燃機関が希薄燃焼による運転が可能な運転領域よりもさらに高負荷域で運転されるときには、脱水素ガソリンを燃料としてストイキ燃焼による運転を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、内燃機関が比較的低負荷域で運転されているときには、水素化ガソリンを燃料とするＨＣＣＩ燃焼による運転が行われることになる。ＨＣＣＩ燃焼は、希薄可燃限界を超えた超希薄混合気を燃焼させるため、ＮＯｘの生成量を通常の希薄燃焼（火炎伝播による希薄燃焼）よりもさらに低く抑えることができ、また、より高い熱効率を実現することができる。ただし、ＨＣＣＩ燃焼は筒内温度によってその着火性能が変化し、低負荷域では自己着火しづらいという特徴がある。この点に関し、第１の発明では、燃料として水素化ガソリンを用いることで、この問題を解決している。水素化ガソリンは通常のガソリン（脱水素ガソリン）に比較してオクタン価が低く、より低温で着火しやすいからである。
【００１０】
ＨＣＣＩ燃焼は負荷が高くなってくると燃焼音の発生が顕著になっていくる。そこで、第１の発明では、内燃機関が比較的高負荷域で運転されるときには、ＨＣＣＩ燃焼による運転から希薄燃焼による運転に切り替えるようにしている。燃料に使用する脱水素ガソリンはオクタン価が高く、さらに、燃焼性に優れた水素を含む水素リッチガスが添加されることで、比較的高負荷域でも燃焼音の発生を防止することができる。
【００１１】
以上のように、第１の発明によれば、比較的低負荷域では水素化ガソリンを燃料とするＨＣＣＩ燃焼により、比較的高負荷域では脱水素ガソリンと水素リッチガスとを燃料とする希薄燃焼により内燃機関を運転することで、低負荷域から高負荷域まで広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することができる。
【００１２】
ＨＣＣＩ燃焼と希薄燃焼とを比較した場合、ＨＣＣＩ燃焼のほうがより熱効率が高く、また、ＮＯｘ発生量を低く抑えることができる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼により運転できる運転領域はできる限り高負荷域まで広げたい。第２の発明によれば、水素化ガソリンに添加される水素リッチガスの燃焼をトリガとして水素化ガソリンを自己着火させることができるので、着火装置の作動タイミングによってＨＣＣＩ燃焼の燃焼開始時期を間接的にコントロールすることができる。これにより、燃焼開始時期の変動に伴う燃焼音の発生を抑制することができ、水素化ガソリンのみを燃料とする場合に比較して、より広い運転領域でＨＣＣＩ燃焼による運転が可能になる。
【００１３】
また、第３の発明によれば、希薄燃焼による運転領域よりもさらに高負荷域では、オクタン価の高い脱水素ガソリンを燃料としてストイキ燃焼による運転を行うことで、ノックを防止しつつ排気エミッションの悪化も防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
【００１５】
本実施の形態１では、本発明を自動車等の車両の動力システムに適用している。図１は本発明の実施の形態１にかかる内燃機関（以下、エンジンという）の概略構成を示す図である。本実施の形態にかかるエンジンは火花点火式の４ストロークエンジンであり、エンジン本体２に形成された燃焼室４内に点火プラグ１６を備えている。このエンジンは、燃料混合気に点火プラグ１６で点火することで実現される火炎伝播燃焼に加え、火炎伝播によらないＨＣＣＩ（Homogeneous Change Compression Ignition）燃焼も実現可能な構成を有している。具体的には、吸気バルブ、或いは吸気／排気両バルブに可変動弁機構（図示は省略する）を有し、バルブオーバラップや吸気バルブの閉タイミングを制御することで、実質的な圧縮比を変更可能に構成されている。燃焼形式として火炎伝播燃焼を選択する場合には可変動弁機構の設定が低圧縮比側に変更され、燃焼形式としてＨＣＣＩ燃焼を選択する場合には可変動弁機構の設定が高圧縮比側に変更されるようになっている。
【００１６】
本実施の形態にかかるエンジンは、その燃料としてガソリンと水素とを利用することができる水素利用内燃機関である。本実施の形態では、一方の燃料であるガソリンは外部（例えばガソリンステーション等の給油設備）から給油されるのに対し、もう一方の燃料である水素はシステム内で生成されるようになっている。具体的には、以下に説明する構成によってガソリンから水素を生成するようになっている。
【００１７】
図１に示すように、燃焼室４には吸気管６と排気管８が接続されている。燃焼室４から排気管８へは燃焼室４内での燃料の燃焼により得られた高温の燃焼ガスが排出される。排気管８にはエンジン本体２に近接して配置される排気ガス浄化装置２０と、それよりも下流で車両の床下に配置される排気ガス浄化装置２２が装着されている。排気ガス浄化装置２２は脱水素反応器に一体化されている。具体的には、排気管８の内側にＮＯｘ吸蔵型浄化触媒が配置され、排気管８の外側を取り巻くように脱水素触媒が配置されている。脱水素触媒としては、例えば白金触媒を用いることができる。以下では、この排気ガス浄化装置が一体化された脱水素反応器を、単に脱水素反応器２２と呼ぶこととする。
【００１８】
脱水素反応器２２には、原燃料インジェクタ２４が組み付けられている。原燃料インジェクタ２４は管路５０，５２によって原燃料タンク３０に接続されている。原燃料タンク３０側の管路５０と原燃料インジェクタ２４側の管路５２とは切替バルブ３４によって接続されている。原燃料インジェクタ２４には、管路５０に配置されたポンプ４０によって原燃料タンク３０に貯留された原燃料が供給される。原燃料インジェクタ２４は外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の原燃料を脱水素反応器２２の内部に噴射することができる。
【００１９】
原燃料としては、水素化ガソリン（水素リッチガソリンともいう）が使用される。水素化ガソリンとは、有機ハイドライド、すなわち、脱水素反応により水素を発生し得る飽和炭化水素の含有率が通常のガソリンよりも高いガソリンのことを意味する。水素化ガソリンは、石油精製プロセスにおいて、有機ハイドライドを多く含む留分を改質あるいはブレンド調製することで生成することができる。また、通常のガソリンに含有される不飽和炭化水素に水素を付加することによって水素化ガソリンを生成することもできる。水素付加の方法としては、加熱された触媒上でガソリンに水素リッチガスを反応させる方法が挙げられる。
【００２０】
本実施の形態では、メチルシクロヘキサンＣ7Ｈ14のようなナフテン系炭化水素を主成分とする水素化ガソリンが使用される。原燃料タンク３０には車両の外部に連通する給油口３０ａが設けられており、原燃料タンク３０は給油口３０ａを介して外部から水素化ガソリンの供給を受けるようになっている。
【００２１】
脱水素反応器２２内の脱水素触媒は、エンジンの作動中、排気管８から放射されるエンジンの排熱によって加熱される。この加熱された脱水素触媒上に水素化ガソリンが供給されることで式（１）に示すような化学反応が生じる。
Ｃ7Ｈ14  →  ３Ｈ2  ＋  Ｃ7Ｈ8  ・・・（１）
上記の式（１）の化学反応はメチルシクロヘキサンＣ7Ｈ14の脱水素反応である。この脱水素反応によってメチルシクロヘキサンＣ7Ｈ14は水素Ｈ2と脱水素ガソリンであるトルエンＣ7Ｈ8に分離される。
【００２２】
脱水素反応器２２内での脱水素反応により生成された水素リッチガス（水素を主成分とするガス）と脱水素ガソリンは、未反応の水素化ガソリンとともに脱水素反応器２２の底部から排出される。脱水素反応器２２の底部は管路６４によって分離器３２に接続されている。管路６４にはヒータ２８が取り付けられている。分離器３２内には冷却水が流れる冷却管６８が通っている。この冷却管６８によって冷却されることで、脱水素反応器２２から供給される水素リッチガスと脱水素ガソリンは、分離器３２内で液相と気相とに分離される。具体的には、冷却されることにより液化した脱水素ガソリン（未反応の水素化ガソリンも含む）は分離器３２の底部に溜まり、気体のまま残存する水素リッチガスは分離器３２の上部に溜まるようになっている。
【００２３】
燃焼室４に通じる吸気管６には、水素インジェクタ１０が配置されている。水素インジェクタ１０は管路５６，６０を介して分離器３２の上部に接続されている。２つの管路５６，６０の間には切替バルブ３６が設けられている。切替バルブ３６は管路５８によって排気管８における脱水素反応器２２の上流にも接続されている。切替バルブ３６を操作することで、分離器３２からの水素リッチガスの供給先を２つの管路５８，６０の間で選択的に切り替えることができる。切替バルブ３６において管路６０側を開いたときには、分離器３２内に溜まった水素リッチガスは管路５６，６０を通って水素インジェクタ１０に供給され、管路５８側を開いたときには分離器３２内の水素リッチガスは排気管８内へ供給される。分離器３２と切替バルブ３６とを接続する管路５６には逆止弁４６が配置され、切替バルブ３６と水素インジェクタ１０とを接続する管路６０には加圧ポンプ４２と小型のバッファタンク３８が設けられている。水素インジェクタ１０は外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素リッチガスを吸気管６の内部に噴射することができる。
【００２４】
吸気管６には水素インジェクタ１０と並んでガソリンインジェクタ１２も配置されている。ガソリンインジェクタ１２は管路６２を介して分離器３２の下部に接続され、管路６２の途中にはポンプ４４が設けられている。このガソリンインジェクタ１２は、管路５４を介して前述の切替バルブ３４にも接続されている。切替バルブ３４は、原燃料タンク３０からの水素化ガソリンの供給先を２つの管路５２，５４の間で選択的に切り替えることができ、また、両方の管路５２，５４に水素化ガソリンを供給することもできる。切替バルブ３４の管路５４側を閉じた状態でポンプ４４を作動させた場合には、分離器３２内に溜まった脱水素ガソリンが管路６２を通ってガソリンインジェクタ１２に供給される。切替バルブ３４の管路５４側を開いてポンプ４０を作動させた場合には、原燃料タンク３０内の水素化ガソリンが管路５０，５４を通ってガソリンインジェクタ１２に供給される。ガソリンインジェクタ１２は外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気管６の内部に噴射することができる。
【００２５】
次に、本実施の形態にかかるエンジンの動作について説明する。なお、エンジンの動作はＥＣＵ（Engine Control Unit）７０によって制御されている。ＥＣＵ７０の出力部には各インジェクタ１０，１２，２４や点火プラグ１６等の種々の機器が接続され、その入力部にはエンジン回転数センサ７２やアクセル開度センサ７４等の種々のセンサが接続されている。ＥＣＵ７０は、各センサからの信号に基づき、所定の制御プログラムに従って各インジェクタ１０，１２，２４や点火プラグ１６等の機器を駆動するようになっている。
【００２６】
本実施の形態にかかるエンジンは、その運転方法として、ガソリンに水素リッチガスを添加して行うリーンバーン運転（以下、水素添加リーンバーン運転）と、ガソリンのＨＣＣＩ燃焼による運転（以下、ＨＣＣＩ燃焼運転）とを選択することができる。図２は本実施の形態にかかるエンジンの水素添加リーンバーン運転時の動作を説明するための図であり、図３はそのＨＣＣＩ燃焼運転時の動作を説明するための図である。各図中、実線で示す管路は流体の供給中であることを意味し、破線で示す管路は流体の供給停止中であることを意味している。
【００２７】
水素添加リーンバーン運転時には、図２に示すように、切替バルブ３４の管路５２側が開かれ、ポンプ４０によって原燃料タンク３０から原燃料インジェクタ２４へ水素化ガソリンが供給される。そして、原燃料インジェクタ２４の作動により、脱水素反応器２２内に水素化ガソリンが供給される。供給された水素化ガソリンは脱水素触媒上で脱水素反応を起こし、水素リッチガスと脱水素ガソリンに分離される。脱水素反応器２２内で生成された水素リッチガス及び脱水素ガソリンは分離器３２に流出し、分離器３２内で冷却されて気相（水素リッチガス）と液相（脱水素ガソリン）に分離される。
【００２８】
また、水素添加リーンバーン運転時には、切替バルブ３６は管路６０側に切り替えられ、加圧ポンプ４２の作動によって分離器３２内の水素リッチガスが水素インジェクタ１０へ供給される。同時に、ポンプ４４の作動によって分離器３２内の脱水素ガソリンがガソリンインジェクタ１２へ供給される。そして、ガソリンインジェクタ１２の作動により脱水素ガソリンが吸気管６内に噴射されるとともに、水素インジェクタ１０の作動によって水素リッチガスが吸気管６内に噴射される。吸気管６内に噴射された水素リッチガス及び脱水素ガソリンは空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ１６によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。
【００２９】
一方、ＨＣＣＩ燃焼運転時には、図３に示すように、切替バルブ３４の管路５４側が開かれ、管路５２側は閉じられる。切替バルブ３４の管路５２側は閉じられることにより、原燃料タンク３０から原燃料インジェクタ２４への水素化ガソリンの供給は遮断される。これに伴い、原燃料インジェクタ２４による脱水素反応器２２内への水素化ガソリンの供給も停止される。
【００３０】
また、ＨＣＣＩ燃焼運転時には、ポンプ４０の作動により原燃料タンク３０からガソリンインジェクタ１２へ水素化ガソリンが供給される一方、ポンプ４４による分離器３２からガソリンインジェクタ１２への脱水素ガソリンの供給は停止される。加圧ポンプ４２による分離器３２から水素インジェクタ１０への水素リッチガスの供給も停止される。ＨＣＣＩ燃焼運転時にはガソリンインジェクタ１２のみが作動し、水素化ガソリンが吸気管６内に噴射される。メチルシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素を主成分とする水素化ガソリンは、トルエン等のアロマ系炭化水素を主成分とする脱水素ガソリンよりもオクタン価が低く、より低温で着火しやすいため、ＨＣＣＩ燃焼には適している。吸気管６内に噴射された水素化ガソリンは空気と混合して燃焼室４内に吸入され、圧縮されることで自己着火して燃焼する。
【００３１】
本実施の形態にかかるエンジンにおいて実行可能な２つの運転方法のうち、水素添加リーンバーン運転によれば、燃焼性に優れた水素リッチガスが添加されることでガソリンのみを燃料とするリーンバーン運転に比較して空燃比をよりリーン化することができるとともに、リーンバーン領域を高負荷側に拡大することが可能になって、さらなる燃費の向上とＮＯｘ発生量の低減とが可能になる。しかも、本実施の形態では、原燃料である水素化ガソリンではなく、オクタン価が高い脱水素ガソリンを使用することで、高負荷域におけるより安定した燃焼が可能になる。しかし、水素添加リーンバーン運転を行うには当然のことながら水素リッチガスが必要であり、水素リッチガスが不足する状況では水素添加リーンバーン運転を実行することができない。本実施の形態のように水素化ガソリンを脱水素反応させることで水素リッチガスを生成するシステムの場合、エンジンの排熱が少なく脱水素化触媒を十分に加熱することができない低負荷域では、水素添加リーンバーン運転に必要な量の水素リッチガスを生成することができない。
【００３２】
一方、ＨＣＣＩ燃焼運転によれば、火炎伝播燃焼の燃焼限界を超えた超希薄混合気を燃焼させることができる。これにより、火炎伝播燃焼の一形態である水素添加リーンバーン運転よりもＮＯｘの生成量をさらに低く抑えることができ、より高い熱効率を実現することもできる。また、本実施の形態では、オクタン価が低く低温で着火しやすい水素化ガソリンを燃料として使用するため、低負荷域における安定したＨＣＣＩ燃焼が可能である。しかし、その一方で、ＨＣＣＩ燃焼はエンジン負荷が高くなってくると燃焼音の発生が顕著になっていくるため、中高負荷域でＨＣＣＩ燃焼運転を実行することは難しい。
【００３３】
そこで、本実施の形態にかかるエンジンでは、図４のマップに従いエンジンの運転領域に応じてエンジンの運転方法を選択するようにしている。図４のマップはエンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップであり、エンジンの運転領域のうち低負荷域はＨＣＣＩ燃焼運転を行う領域に設定され、中高負荷域は水素添加リーンバーン運転を行う領域に設定されている。
【００３４】
図４のマップにおいて、ＨＣＣＩ燃焼運転が選択される運転領域と水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域との境界は、ＨＣＣＩ燃焼が困難となる限界負荷を意味している。つまり、図４のマップは、水素添加リーンバーン運転よりもＨＣＣＩ燃焼運転の方を優先し、可能な限りの広い運転領域でＨＣＣＩ燃焼運転が選択されるように作成されている。これは、ＨＣＣＩ燃焼運転と水素添加リーンバーン運転とを比較した場合、ＨＣＣＩ燃焼運転のほうが水素添加リーンバーン運転よりもさらに熱効率が高く、また、ＮＯｘ発生量を極めて低レベルに抑えることが可能だからである。
【００３５】
図４のマップによれば、水素リッチガスの不足によって水素添加リーンバーン運転が困難となる低負荷域をＨＣＣＩ燃焼運転によって補完することができ、燃焼音の発生によってＨＣＣＩ燃焼運転が困難となる中高負荷域を水素添加リーンバーン運転によって補完することができる。したがって、図４のマップに従いエンジンの運転方法を切り替えることで、低負荷域から高負荷域までの広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することが可能になる。
【００３６】
なお、本実施の形態にかかるエンジンの運転はＥＣＵ７０によって制御され、エンジンの運転方法の切り替えもＥＣＵ７０によって判断されている。本実施の形態にかかるエンジンでは、図５のフローチャートに示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。
【００３７】
図５に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得され、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）が算出される。そして、次のステップＳ１０２では、現在の運転状態が図４のマップにおいてＨＣＣＩ燃焼運転が選択される領域に属しているか否か判定される。
【００３８】
エンジンの運転状態からＨＣＣＩ燃焼運転が選択される場合には、図３の動作図に示すように、原燃料タンク３０内の水素化ガソリンがガソリンインジェクタ１２に直接供給され、ガソリンインジェクタ１２からの水素化ガソリンの噴射によってＨＣＣＩ燃焼運転が実行される（ステップＳ１０４）。
【００３９】
エンジンの運転状態から水素添加リーンバーン運転が選択される場合には、図２の動作図に示すように、原燃料タンク３０内の水素化ガソリンは脱水素反応器２２へ供給され、脱水素反応によって水素リッチガスがガソリンから分離される（ステップＳ１０６）。そして、分離した水素リッチガスを水素インジェクタ１０から噴射し、脱水素ガソリンをガソリンインジェクタ１２から噴射することによって水素添加リーンバーン運転が実行される（ステップＳ１０８）。
【００４０】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図５に示すルーチンが実行されることで、第１の発明の「制御手段」が実現される。
【００４１】
実施の形態２．
以下、図６乃至図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００４２】
本実施の形態にかかるエンジンは、実施の形態１と同じく、図１に示す構成を有している。その運転方法としては、水素添加リーンバーン運転とＨＣＣＩ燃焼運転とを選択することができ、さらに、水素化ガソリンに水素リッチガスを添加して行うＨＣＣＩ燃焼運転（以下、水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転）と、脱水素ガソリンを燃料とするストイキ燃焼運転とを選択可能になっている。図６は本実施の形態にかかるエンジンの水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転時の動作を説明するための図であり、図７はストイキ燃焼運転時の動作を説明するための図である。各図中、実線で示す管路は流体の供給中であることを意味し、破線で示す管路は流体の供給停止中であることを意味している。なお、水素添加リーンバーン運転時の動作は実施の形態１と同じく図２を用いて説明され、ＨＣＣＩ燃焼運転時の動作は実施の形態１と同じく図３を用いて説明される。
【００４３】
水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転は、脱水素触媒の温度を活性化温度以上に保持できる運転領域において実行される。水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転時には、図６に示すように、切替バルブ３４の管路５２側が開かれ、ポンプ４０によって原燃料タンク３０から原燃料インジェクタ２４へ水素化ガソリンが供給される。そして、原燃料インジェクタ２４から脱水素反応器２２内に水素化ガソリンが供給され、供給された水素化ガソリンは脱水素触媒上での脱水素反応によって水素リッチガスと脱水素ガソリンに分離される。脱水素反応器２２内で生成された水素リッチガス及び脱水素ガソリンは分離器３２に流出し、分離器３２内で冷却されて気相（水素リッチガス）と液相（脱水素ガソリン）に分離される。
【００４４】
また、水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転時には、切替バルブ３４の管路５４側も開かれ、ポンプ４０によって原燃料タンク３０からガソリンインジェクタ１２へ水素化ガソリンが直接供給される。同時に、加圧ポンプ４２の作動によって分離器３２内の水素リッチガスが水素インジェクタ１０へ供給される。そして、ガソリンインジェクタ１２の作動により水素化ガソリンが吸気管６内に噴射されるとともに、水素インジェクタ１０の極短時間の作動によって微量の水素リッチガスが吸気管６内に噴射される。
【００４５】
水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転時には、通常のＨＣＣＩ燃焼運転とは異なって点火プラグ１６を作動させる。点火プラグ１６の点火によって燃焼性に優れた水素リッチガスが燃焼する。水素リッチガスの燃焼は燃焼室４の全体で容積的に起き、水素リッチガスの燃焼がトリガとなって水素化ガソリンのＨＣＣＩ燃焼が起きる。
【００４６】
ＨＣＣＩ燃焼とリーンバーンとを比較した場合、ＨＣＣＩ燃焼のほうがより熱効率が高く、また、ＮＯｘ発生量をより低く抑えることができる。しかし、ＨＣＣＩ燃焼には燃焼開始時期を直接制御できないという問題があり、吸入空気温度等の運転条件によって燃焼開始時期が変動し、中高負荷域では燃焼音が発生しやすい。特に、水素化ガソリンはオクタン価が低いために燃焼音が発生する可能性が高い。この点に関し、上記の水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転によれば、水素リッチガスの燃焼をトリガとして水素化ガソリンを自己着火させることができるので、点火プラグ１６の点火タイミングによってＨＣＣＩ燃焼の燃焼開始時期を間接的にコントロールすることができる。これにより、燃焼開始時期の変動に伴う燃焼音の発生を抑制することができ、水素化ガソリンのみを燃料とする場合に比較してより高負荷側の運転領域までＨＣＣＩ燃焼による運転が可能になる。
【００４７】
ところで、上記の水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転では、水素化ガソリンの脱水素反応によって得られる水素リッチガスと脱水素ガソリンのうち、水素リッチガスは燃料として使用されるものの、脱水素ガソリンは使用されずにそのまま分離器３２内に貯留されることになる。本実施の形態にかかるエンジンでは、この余った脱水素ガソリンを次に説明するストイキ燃焼運転において利用する。
【００４８】
ストイキ燃焼運転は、水素添加リーンバーン運転が実行される運転領域よりもさらに高負荷域において実行される。ストイキ燃焼運転時には、図７に示すように、ポンプ４０の作動が停止されて原燃料タンク３０から原燃料インジェクタ２４或いはガソリンインジェクタ１２への水素化ガソリンの供給は遮断される。また、加圧ポンプ４２は作動されず水素インジェクタ１０からの水素リッチガスの噴射は行われない。ストイキ燃焼運転時には、ポンプ４４のみが作動して分離器３２内の脱水素ガソリンがガソリンインジェクタ１２へ供給される。そして、ガソリンインジェクタ１２の作動により脱水素ガソリンが吸気管６内に噴射される。脱水素ガソリンの噴射量は吸入空気量との関係で理論空燃比になるように設定されている。吸気管６内に噴射された脱水素ガソリンは空気と混合しながら燃焼室４内に吸入され、点火プラグ１６によって点火されることで燃焼（火炎伝播燃焼）する。アロマ系炭化水素を主成分とする脱水素ガソリンはオクタン価が高く、高負荷域でのノックの発生の防止に効果がある。
【００４９】
本実施の形態にかかるエンジンでは、エンジンの運転方法を選択するためのマップとして図８に示すマップが用いられる。図８のマップはエンジン負荷とエンジン回転数を軸とする多次元マップであり、低負荷側から順に領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つの領域にエンジンの運転領域が区分されている。このうち、最も低負荷側の領域Ａでは水素化ガソリンを燃料とするＨＣＣＩ燃焼運転が選択され、次の領域Ｂでは水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転が選択され、その次の領域Ｃでは水素添加リーンバーン運転が選択され、最も高負荷側の領域Ｄではストイキ燃焼運転が選択される。
【００５０】
図８のマップにおいて、ＨＣＣＩ燃焼運転が選択される運転領域と水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転が選択される運転領域との境界は、燃焼開始時期を制御しなければ燃焼音の発生によってＨＣＣＩ燃焼が困難となる限界負荷を意味している。また、水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転が選択される運転領域と水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域との境界は、燃焼開始時期を制御してもＨＣＣＩ燃焼が困難となる限界負荷を意味している。水素添加リーンバーン運転が選択される運転領域とストイキ燃焼運転が選択される運転領域との境界は、水素の添加によってもリーンバーンが困難となる限界負荷を意味している。
【００５１】
図８のマップに従いエンジンの運転方法を切り替えることで、実施の形態１と同様、低負荷域から高負荷域までの広い運転領域で高効率且つ低エミッションを実現することが可能になる。さらに、このマップによれば、中負荷域でもＨＣＣＩ燃焼による運転を選択できることから、ＮＯｘ発生量をより低レベルに抑えることが可能になる。
【００５２】
本実施の形態にかかるエンジンでは、図９のフローチャートに示すルーチンにしたがってエンジンの運転方法の切り替えが行われる。
【００５３】
図９に示すルーチンの最初のステップＳ２００では、現時点におけるエンジン回転数とアクセル開度が取得され、エンジン回転数とアクセル開度からエンジン負荷（負荷率）が算出される。そして、次のステップＳ２０２では、エンジン回転数及びエンジン負荷から決まる現在の運転状態が図８のマップにおけるどの運転領域で運転されているか判断される。
【００５４】
現在のエンジンの運転状態が図８のマップにおける領域Ａに属する場合には、図３の動作図に示すように、原燃料タンク３０内の水素化ガソリンがガソリンインジェクタ１２に直接供給され、ガソリンインジェクタ１２からの水素化ガソリンの噴射によってＨＣＣＩ燃焼運転が実行される（ステップＳ２０４）。
【００５５】
現在のエンジンの運転状態が図８のマップにおける領域Ｂ或いはＣに属する場合には、原燃料タンク３０内の水素化ガソリンは脱水素反応器２２へ供給され、脱水素反応によって水素がガソリンから分離される（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６の処理の実行後、再び運転領域について判断される（ステップＳ２０８）。
【００５６】
現在のエンジンの運転状態が図８のマップにおける領域Ｂに属する場合には、ステップＳ２１０の処理が選択される。ステップＳ２１０では、図６の動作図に示すように、原燃料タンク３０内の水素化ガソリンがガソリンインジェクタ１２に直接供給され、また、ステップＳ２０６で生成された水素リッチガスが分離器３２から水素インジェクタ１０に供給される。そして、燃料である水素化ガソリンに水素リッチガスを添加することによって水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転が実行される。水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転では点火時期制御が行われる。
【００５７】
一方、現在のエンジンの運転状態が図８のマップにおける領域Ｃに属する場合には、ステップＳ２１２の処理が選択される。ステップＳ２１２では、図２の動作図に示すように、ステップＳ２０６で生成された水素リッチガスが分離器３２から水素インジェクタ１０に供給され、また、脱水素ガソリンが分離器３２からガソリンインジェクタ１２に供給される。そして、水素リッチガスを水素インジェクタ１０から噴射し、脱水素ガソリンをガソリンインジェクタ１２から噴射することによって水素添加リーンバーン運転が実行される。
【００５８】
ステップＳ２０２の運転領域判断の結果、現在のエンジンの運転状態が図８のマップにおける領域Ｄに属する場合には、図７の動作図に示すように、脱水素ガソリンが分離器３２からガソリンインジェクタ１２に供給され、ガソリンインジェクタ１２からの脱水素ガソリンの噴射によってストイキ燃焼運転が実行される（ステップＳ２１４）。
【００５９】
本実施の形態では、ＥＣＵ７０により図９に示すルーチンが実行されることで、第２及び第３の発明の「制御手段」が実現される。
【００６０】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００６１】
図１の構成では、水素インジェクタ１０を吸気管６に配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、水素インジェクタ１０は、筒内に水素を直接噴射できるようにエンジン本体２に組み込んでもよい。同様に、ガソリンインジェクタ１２もエンジン本体２に組み込むことができる。
【００６２】
また、図１の構成では、排気管８に脱水素反応器２２を配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、エンジンの排熱によって脱水素触媒を加熱できる部位に配置されていればよく、エンジン本体２に脱水素反応器２２を取り付けてもよい。
【００６３】
また、実施の形態２では、水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転時に水素リッチガスに着火する着火装置として点火プラグ１６を利用しているが、専用の着火装置を点火プラグ１６とは別に備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるエンジンの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示すエンジンの水素添加リーンバーン運転時の動作を説明するための図である。
【図３】図１に示すエンジンのＨＣＣＩ燃焼運転時の動作を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１においてエンジンの運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【図６】図１に示すエンジンの水素添加ＨＣＣＩ燃焼運転時の動作を説明するための図である。
【図７】図１に示すエンジンのストイキ燃焼運転時の動作を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態２においてエンジンの運転方法の選択に用いられるマップを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２においてエンジンの運転方法の切り替えに用いられるルーチンについて示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
２  エンジン本体
４  燃焼室
６  吸気管
８  排気管
１０  水素インジェクタ
１２  ガソリンインジェクタ
１６  点火プラグ
２２  脱水素反応器
２４  原燃料インジェクタ
３０  原燃料タンク
３２  分離器
３４  切替バルブ
７０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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